CN103471767B - 一种三维测力平台现场静态标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及体育运动分析、人体步态研究及矫形康复行走机能评定等领域，公开了一种三维测力平台现场静态标定装置及方法，本方法首先应用三维测力平台静态标定装置对三维测力平台进行现场标定，然后将标定后的各项参数输入到标定算法公式中，从而获得标定系数<i>C</i>，最后对标定结果进行验证；本发明能够在现场通过公式计算出标定系数，无需返厂重新标定，解决了由于设备使用时间、安装不当或磕碰造成的标定系数不准确的问题，具有一定的市场前景和应用价值。

Description

一种三维测力平台现场静态标定装置及方法

技术领域

本发明涉及体育运动分析、人体步态研究及矫形康复行走机能评定等领域，特别涉及一种三维测力平台现场静态标定装置及方法。

背景技术

自1952年美国加利福尼亚大学步态研究项目中第一次使用三维测力平台开始，测力台就成为了体育运动研究、人体步态研究及矫形康复行走机能评定等领域测量地面反作用力的标准动力学测试工具。测力台可提供力、力矩、扭矩、力角、冲量和压力中心位置等指标，非常直观地分析人体运动过程中力的变化特征。力和力矩为原始输出数据，其它指标为计算指标。其中三维力、力作用点和扭矩与运动学数据结合，采用“逆向动力学法InverseDynamic”能够计算出人体下肢髋、膝和踝关节的关节力、关节力矩和关节功率。排除运动学数据，测力台测量地面反作用力（GRF）和压力中心（COP）的精确性直接影响关节动力学计算结果。

依据采用不同力传感器，三维测力平台系统分为压电式与应变式两种类型。国外测力平台生产厂家有Kistler、Amti、Bertec，国内主要有大连理工大学和合肥智能机械研究所。目前，国内外诸多步态分析、体育运动、神经控制等研究单位均以配置了三维测力平台。

三维测力平台出厂前都要使用专用精密仪器进行标定，即每一个测力平台都有一个单独的标定系数。出厂后该标定参数会随测力平台一同交付使用单位。但由于使用时间、不当安装或者运输过程中的磕碰等因素，均会影响其测量的准确性。无论是国外产品还是国内产品，把测力平台运回厂家重新标定都是一个耗时又耗力的过程。即使返厂重新标定，返回后的运输和安装过程还会再次产生影响测量精度的因素。因此，亟待一种应用于三维测力平台安装现场的静态标定装置及方法。

国际上科研工作者和生产厂家对三维测力平台精度的评价标准主要为两个方面：1）三维力误差≤2%；2）压力中心误差≤1cm（Schmiedmayer，1999）。

发明内容

本发明的目的是：为了解决由于使用时间、安装不当或者运输过程中磕碰导致的三维测力平台标定系数不准确的技术问题，提供一种三维测力平台静态标定装置及方法，本发明使用方便，能够在现场准确的对三维测力平台进行标定。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种三维测力平台静态标定装置，包括：垂直加载装置、水平加载装置；

所述垂直加载装置主要实现在垂直方向对三维测力平台施加已知力与力矩，包括：垂直加载框架1、加载模块；所述垂直加载框架1上端面平行设置两个横板2，横板2之间固定有加载面板3；所述加载模块进一步包括：加载轴5、加载平台6、加载块7；所述加载轴5一端穿过加载面板3的加载轴承与加载平台6固定，另一端与加载块7固定。

所述水平加载装置主要实现向三维测力平台加载横向和侧向的已知力与力矩，保证加载力的精确度和减少向间干扰，包括：水平加载框架8、加载挂钩9、加载螺栓10、固定滑轮以及杠铃片14；所述水平加载框架8的下端横梁上设有第一固定滑轮11，上端横梁上设有第二固定滑轮12；所述加载挂钩9与钢丝13固定连接，钢丝13的另一端依次通过第二固定滑轮12、第一固定滑轮11与加载螺栓10以螺栓结构连接，且第二固定滑轮12、第一固定滑轮11、加载螺栓10三者在一条直线上。所述固定滑轮和钢丝结构可实现将垂直向下的拉力转化为横向拉力；通过横向移动水平加载框架8使钢丝13与加载螺栓10在同一方向。

其中，所述垂直加载框架1底端的四个角设有可调节底座4，可调节底座4能够保证垂直加载框架1与地面完全垂直。

其中，所述加载轴承为精密传动轴承15，所述精密传动轴承15固定于加载轴5与加载面板3连接处，此结构能够减少垂直加载装置的向间干扰。

其中，所述加载轴5与加载块7采用钢珠接触结构固定，以保证加载垂直力的精确度和减少向间干扰。

本发明还提供了一种三维测力平台静态标定方法，首先应用三维测力平台静态标定装置对三维测力平台进行现场标定，然后将标定后的各项参数输入到标定算法公式中，从而获得标定系数C，最后对标定结果进行验证；具体包括以下步骤：

步骤1：将三维测力平台（16）放置于预设的地坑内，应用三维测力平台静态标定装置对三维测力平台（16）进行现场标定，设定三维测力平台坐标原点（0，0，0），F _z为垂直方向作用力，F _x为横向作用力，F _y为纵向作用力；

步骤1.1：使用垂直加载装置对三维测力平台（16）进行垂直加载；

步骤1.1.1：采用描图工具在三维测力平台（16）表面上标记垂直加载点，描绘误差≤0.10cm，记录各个垂直加载点的位置坐标；

步骤1.1.2：调整可调节底座（4）使垂直加载框架（1）保持水平，将加载块（7）分别置于上述垂直加载点上；

步骤1.1.3：分别在加载点加载不同重量的外加力（F _z），按照横向移动和纵向移动的顺序对三维测力平台（16）上的所有加载点进行垂直加载，通过外加力和加载点的位置坐标计算上述垂直加载点的力矩值（M _x,M _y,M _z），计算公式为；

步骤1.2：使用水平加载装置对三维测力平台（16）进行水平加载；

步骤1.2.1：采用描图工具在三维测力平台（16）侧面标记侧向加载点，描绘误差≤0.10cm；记录各个侧向加载点的位置坐标；

步骤1.2.2：将加载螺栓（10）连接三维测力平台（16）的侧向加载点，并通过加载挂钩（9）加载外力，所述加载螺栓（10）与地面平行且垂直于三维测力平台（16）的加载面；

步骤1.2.3：分别在加载点加载不同重量的外加力（F _x，F _y）；按照横向移动和纵向移动的顺序分别对各个侧向加载点进行加载，通过外加力和加载点的位置坐标计算上述侧向加载点的力矩值（M _x,M _y,M _z），计算公式为。

步骤2：将上述步骤得到各个垂直加载点和侧向加载点的加载力值（F _x,F _y,F _z）、加载力矩值（M _x,M _y,M _z）和输出力值（F _x-t,F _y-t,F _z-t）、输出力矩值（M _x-t,M _y-t,M _z-t），通过导入标定算法公式中，即能计算出标定系数C。

所述输出力值（F _x-t,F _y-t,F _z-t）由三维测力平台原有软件输出，输出力矩值（M _x-t,M _y-t,M _z-t）计算公式为：，a表示传感器距离三维测力平台16坐标中心的长度，b表示传感器距离三维测力平台16坐标中心的宽度，c表示传感器距离三维测力平台表面的高度；

步骤3：通过静态与动态两种方式验证标定后的三维测力平台，压力中心位置（COP）最大误差≤0.5cm，地面反作用力（GRF）最大误差≤2%，完全符合现行国际标准，说明本方法是准确有效的。

其中，所述水平加载框架8与放置三维测力平台16的预设地坑的规格一致。

其中，所述一种三维测力平台静态标定方法适用于压电式或者应变式三维测力平台。

本发明的有益效果是：本发明分别采用垂直加载装置和水平加载装置对三维测力平台进行垂直和水平加载，能够在现场计算出标定系数，无需返厂重新标定，解决了由于设备使用时间、安装不当或磕碰造成的标定系数不准确的问题，具有一定的市场前景和应用价值。

附图说明

图1为本发明一种三维测力平台现场静态标定装置的垂直加载装置结构图。

图2为本发明一种三维测力平台现场静态标定装置的水平加载装置结构图。

图3为本发明杠铃片结构图。

图4为本发明钢珠接触结构示意图。

图5为三维测力平台的结构示意图。

图6为实施例1中三维测力平台的加载点示意图。

图7为本发明工作过程中垂直加载示意图。

图8为本发明工作过程中水平加载示意图。

图9为本发明实施例1的动态验证示意图。

图10三维测力平台静态标定软件程序框图。

附图标识：1-垂直加载框架，2-横板，3-加载面板，4-可调节底座，5-加载轴，6-加载平台，7-加载块，8-水平加载框架，9-加载挂钩，10-加载螺栓，11-第一固定滑轮，12-第二固定滑轮，13-钢丝，14-杠铃片，15-精密传动轴承，16-三维测力平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1-3，本发明一种三维测力平台现场静态标定装置，包括：垂直加载装置、水平加载装置；

所述垂直加载装置主要实现在垂直方向对三维测力平台施加已知力与力矩，包括：垂直加载框架1、加载模块；所述垂直加载框架1上端面平行设置两个横板2，横板2之间固定有加载面板3；所述加载模块进一步包括：加载轴5、加载平台6、加载块7；所述加载轴5一端穿过加载面板3的加载轴承与加载平台6固定，另一端与加载块7固定。

所述水平加载装置主要实现向三维测力平台加载横向和侧向的已知力与力矩，保证加载力的精确度和减少向间干扰，包括：水平加载框架8、加载挂钩9、加载螺栓10、固定滑轮以及杠铃片14；所述水平加载框架8的下端横梁上设有第一固定滑轮11，上端横梁上设有第二固定滑轮12；所述加载挂钩9与钢丝13固定连接，钢丝13的另一端依次通过第二固定滑轮12、第一固定滑轮11与加载螺栓10以螺栓结构连接，且第二固定滑轮12、第一固定滑轮11、加载螺栓10三者在一条直线上。所述固定滑轮和钢丝结构可实现将垂直向下的拉力转化为横向拉力；通过横向移动水平加载框架8使钢丝13与加载螺栓10在同一方向。

所述垂直加载框架1底端的四个角设有可调节底座4，可调节底座4能够保证垂直加载框架1与地面完全垂直。

所述加载轴承为精密传动轴承15，所述精密传动轴承15固定于加载轴5与加载面板3连接处，此结构能够减少垂直加载装置的向间干扰。

参照图4，所述加载轴5与加载块7采用钢珠接触结构固定，以保证加载垂直力的精确度和减少向间干扰。

在本发明正式标定前，需要对所运用到的标定算法公式和根据此公式编写的三维测力平台静态标定软件程序进行解释，以说明本发明方法的合理性。

所述标定算法公式通过以下静态标定原理获得：

三维测力平台原始输出指标表示为：F _x-t,F _y-t,F _z-t,M _x-t,M _y-t,M _z-t；前三个元素为输出三维力值，单位为AD；后三个元素为输出三维力矩值，单位为AD*cm；上述原始输出指标乘以标定系数，才能获得真实输出指标：F _x,F _y,F _z,M _x,M _y,M _z；前三个元素为计算三维力值，单位为Kg或N；后三个元素为计算力矩值，单位为Kg*cm或N*cm；所述原始输出指标与真实输出指标的关系如下：

（1）；

那么，标定系数C矩阵形式为：

（2）；

在上述标定系数矩阵C中主对角线上的元素C _[0][0]，C _[1][1]，C _[2][2]，C _[3][3]，C _[4][4]，C _[5][5]为主系数，即理论上完全垂直的三维力和三维力矩，其它元素为向间干扰系数，即三维力与三维力矩之间的相互干扰与影响；

简化后的公式（1）为：

（3），即（4）。

所述三维测力平台静态标定软件程序根据三维测力平台静态标定方法而编制的，软件框图见图10。它可根据上述标定过程计算出标定系数C，主要功能有：

1）记录实际加载重量（F _x,F _y,F _z,），单位：Kg；

2）记录实际加载点在三维测力平台16上的坐标位置（x,y,z），单位：cm；

3）根据功能1）和功能2）的记录，用公式：计算并保存该点实际加载力矩值（M _x,M _y,M _z），单位：Kg*cm；

4）记录三维测力平台16输出力值(F _x-t,F _y-t,F _z-t)，单位：（AD）；

5）设定三维测力平台16的传感器位置规格：，单位：cm；

6）根据功能4）和功能5）的记录，用公式（6）计算并保存输出相应加载点力矩值（M _x-t,M _y-t,M _z-t），单位：AD*cm；

7）可保存和修改上述参数输入值，在原始输出指标和真实输出指标已知情况下，通过公式（1）至（4）计算并保存标定系数。

实施例1

本发明一种三维测力平台静态标定方法，首先应用三维测力平台静态标定装置对三维测力平台进行现场标定，然后将标定后的各项参数输入到标定算法公式中，从而获得标定系数C，最后对标定结果进行验证；具体包括以下步骤：

步骤1：将三维测力平台（16）放置于预设的地坑内，应用三维测力平台静态标定装置对三维测力平台（16）进行现场标定。

参照图5，本次采用大连理工大学生产的DYT6040-1型压电式三维测力平台（规格长：60cm，宽：40cm，高：10cm）为标定对象，设定三维测力平台坐标原点（0，0，0），F _z为垂直方向作用力，F _x为横向作用力，F _y为纵向作用力，M _z为产生的力矩和，M _x为产生的力矩和，M _y为产生的力矩和；本发明所有标定方法和过程均适用于应变式和压电式三维测力平台。

步骤1.1：使用垂直加载装置对三维测力平台16进行垂直加载；

步骤1.1.1：采用描图工具在三维测力平台16表面上标记垂直加载点（参照图6数字1-9），描绘误差≤0.10cm；通过三维测力平台静态标定软件程序记录并保存各个垂直加载点的位置坐标（x _i,y _i,z _i），如下表所示：

表1三维测力平台表面9个标记点坐标位置表单位：cm

步骤1.1.2：调整可调节底座4使垂直加载框架1保持水平，将加载块7分别置于如表1所描述的9个标记点上；

步骤1.1.3：参照图7，分别在加载点加载20kg，40kg和60kg的杠铃片即外加力（F _z），按照横向移动和纵向移动的顺序对三维测力平台16上的所有加载点进行垂直加载，并通过三维测力平台静态标定软件程序计算并保存上述垂直加载点的力矩值（M _x,M _y,M _z），计算公式为；

步骤1.2：使用水平加载装置对三维测力平台16进行水平加载；为使水平加载框架8稳定，所述水平加载框架8加工时需满足其与放置三维测力平台16的地坑规格一致；

步骤1.2.1：采用描图工具在三维测力平台16侧面标记侧向加载点（参照图6数字10-15），描绘误差≤0.10cm，并在标记点处用特殊电钻加工出一直径0.5cm，长2cm与加载螺丝10相匹配的螺眼；通过三维测力平台静态标定软件程序记录并保存各个侧向加载点的位置坐标（x _i,y _i,z _i），如下表所示：

表2三维测力平台侧面6个标记点坐标位置表单位：cm

步骤1.2.2：将加载螺栓10连接三维测力平台16的侧向加载点，并通过加载挂钩9加载外力；为保证加载精确度和减少向间干扰，所述加载螺栓10与地面平行且垂直于三维测力平台16的加载面；

步骤1.2.3：参照图8，分别在加载点加载20kg，40kg和60kg的杠铃片14即外加力（F _x，F _y）；按照横向移动和纵向移动的顺序分别对各个侧向加载点进行加载，并通过三维测力平台静态标定软件程序计算并保存上述侧向加载点的力矩值（M _x,M _y,M _z），计算公式为；

步骤2：通过上述步骤2和步骤3得到15个加载点的45个加载力值、45个加载力矩值和45个输出力值、输出力矩值，通过三维测力平台静态标定软件程序（程序中包含标定算法公式）代入公式（4）中，即得到以下标定系数C；

。

步骤3：通过静态与动态两种方式验证标定后的测力平台计算压力中心位置（COP）和地面反作用力（GRF）的精准性：

压力中心（centerofpressure，COP）是指物体间接触时因外力产生压力的合力作用点位置，是一个想象中的虚拟点。人与地面接触时，压力中心表现为人体向地面施加压力的作用点。目前，检测人体运动时的COP已成为测力平台具有的一项重要功能，同时，测试的信度和精确性又是评价三维测力平台的一项重要指标。

将步骤4所获得的标定系数C代入公式（1）可计算出三维测力平台16所测试的力值：F _x,F _y,F _z（单位：kg）和力矩值：M _x,M _y,M _z（单位：kg*cm）。已知三维测力平台16内部四个角上的传感器标准规格：a=12,b=20,c=6.3,（单位：cm；）

根据公式（5）可计算COP的值：

，（5）

因此，采用力值和COP方法验证本发明所标定的三维测力平台。为了避免人体站立对地面施力时肌肉及神经系统的调节影响，本发明选用专用设备（即三维测力平台静态标定装置）在三维测力平台表面16加载恒定外力，分别以静态和动态两种方式在三维测力平台16表面不同位置施加不同数值力，力求客观验证。测量其实际位置、加载力数值与三维测力平台16输出的D _x,D _y及各方向力数值等多组数据。

1）信度检验

每次测试分别以动态和静态方式对各点重复进行测试与分析。在同一周内由2位检查者分别进行2次测试。在三维测力平台表面预设50个检测点，对2次测试数据进行内相关分析，结果数值呈高度相关性（ICC=0.91~0.97），表明压电式三维测力平台评定压力中心的信度稳定，可靠性好。

2）静态验证

三维测力平台系统输出压力中心与误差分析。在测试的50个检测点中选择能够基本覆盖测力台有效测量范围的9个代表点。试验中记录的每个点分别施加20kg，40kg和60kg等3个不同重量级的z向加载时，系统输出的是各点z向力数值和相应的坐标位置数据。为了将平面内各点位置的二维坐标清晰列在数据表中，将系统输出坐标值减去力台表面预设各点位置坐标值，只取坐标差值，即进行变换整理后建立数据表3。

表3静态加载1-9点输出力测量值与压力中心位置坐标差值比较

抽样点	20kg	Δx/cm	Δy/cm	40kg	Δx/cm	Δy /cm	60kg	Δx/cm	Δy /cm
										1	19.80	0.33	0.45	39.80	0.51	0.37	59.80	0.60	0.23
2	20.20	0.23	0.28	40.20	0.06	0.14	60.30	0.18	0.25
										3	20.20	0.22	0.31	40.30	0.25	0.41	60.50	0.48	0.53
4	19.90	0.04	0.41	40.00	0.04	0.16	60.20	0.13	0.18
										5	19.90	0.08	0.38	39.80	0.17	0.26	59.90	0.25	0.19
6	19.90	0.22	0.39	40.00	0.05	0.62	60.10	0.09	0.61
										7	20.00	0.51	0.02	40.60	0.35	0.70	60.10	0.27	0.51
8	20.00	0.11	0.09	39.90	0.21	0.42	59.80	0.32	0.22
										9	19.90	0.31	0.56	40.00	0.19	0.35	60.00	0.07	0.53
平均数	20.06	0.23	0.32	40.10	0.20	0.38	60.20	0.26	0.36

3）动态验证

人体行走足支撑期可以近似为是以足各机能解剖区为支点沿地面滚动，与平面上铅球滚动类似。本研究动态验证方式采用女子铅球（4kg）和男子铅球（7.26kg），铅球表面涂抹灰粉。在测力平台上任意点向另一方向进行滚动，通过力台表面的灰粉痕迹，记录其轨迹坐标数值（x _i，y _i），同样将测力平台系统采集的动态点相应坐标位置（x _i′，y _i′）和力数值F _z进行存储，参照图9。

表4三维测力平台采集铅球滚动z向力数值及对应点坐标与实际轨迹坐标差值比较

抽样点	4kg	Δx/cm	Δy /cm	7.26kg	Δx/cm	Δy /cm
							1	4.07	0.31	0.31	7.15	0.08	0.02
2	4.06	0.12	0.24	7.20	0.15	0.31
							3	3.95	0.21	0.19	7.19	0.06	0.29
4	4.04	0.05	0.14	7.17	0.20	0.16
							5	4.08	0.11	0.24	7.08	0.19	0.27
6	3.98	0.23	0.12	7.12	0.24	0.20
							平均数	4.03	0.17	0.21	7.15	0.15	0.21

4）验证结果（1）所有测试点2次测试结果的测试数值均呈高度相关性，压电式测力平台评定压力中心的信度稳定，可靠性好。

（2）动静态验证时，系统计算输出力的数值达到了较高精确度，在压力中心位置坐标计算方面精确，并且随着重量级别增加，压力中心并没有产生坐标位置偏差增大。动态验证与静态验证相比，COP输出力值的计算误差基本没有显著差异。

通过静态与动态两种方式验证标定后的三维测力平台，压力中心位置（COP）最大误差≤0.5cm，地面反作用力（GRF）最大误差≤2%，完全符合现行国际标准，说明应用本方法方法评定压力中心具有很高的精确性，可为各群体人体步态研究及矫形康复行走机能评定提供检测依据，可进一步推广使用。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种三维测力平台现场静态标定装置，其特征在于，所述一种三维测力平台静态标定装置包括：垂直加载装置、水平加载装置；

所述垂直加载装置包括：垂直加载框架(1)、加载模块；所述垂直加载框架(1)上端面平行设置两个横板(2)，横板(2)之间固定有加载面板(3)；所述加载模块进一步包括：加载轴(5)、加载平台(6)、加载块(7)；所述加载轴(5)一端穿过加载面板(3)上的加载轴承(15)与加载平台(6)固定，另一端与加载块(7)固定；

所述水平加载装置包括：水平加载框架(8)、加载挂钩(9)、加载螺栓(10)、第一固定滑轮(11)、第二固定滑轮(12)以及杠铃片(14)；所述水平加载框架(8)的下端横梁上设有第一固定滑轮(11)，上端横梁上设有第二固定滑轮(12)；所述加载挂钩(9)与钢丝(13)固定连接，钢丝(13)的另一端依次通过第二固定滑轮(12)、第一固定滑轮(11)与加载螺栓(10)以螺栓结构连接，且第二固定滑轮(12)、第一固定滑轮(11)、加载螺栓(10)三者在同一竖直平面上；

所述垂直加载框架(1)底端的四个角设有可调节底座(4)；

加载轴承为精密传动轴承(15)，所述精密传动轴承(15)固定于加载轴(5)与加载面板(3)连接处；

所述加载轴(5)与加载块(7)采用钢珠接触结构固定；加载轴(5)下端钢珠与加载块(7)上端弧形凹面是弧面与弧面的接触结构；

所述水平加载框架(8)与放置三维测力平台(16)的预设地坑的规格一致；水平加载框架(8)置于测力平台安装地坑中，两端紧贴地坑内侧，可在地坑中自由横向移动，加载挂钩(9)通过钢丝(13)、加载螺栓(10)与测力平台侧面的指定位置连接。